Vai trò của điốt trong quá trình-bảo vệ khởi động của tuabin gió là gì?

一, Những thách thức cốt lõi và logic bảo vệ diode trong điều kiện tốc độ gió thấp
1. Đặc điểm vật lý và rủi ro của điều kiện tốc độ gió thấp
Công suất đầu ra của tuabin gió tỷ lệ thuận với lũy thừa thứ ba của tốc độ gió. Khi tốc độ gió thấp hơn tốc độ gió giới hạn (thường là 3-5 m/s), tốc độ máy phát không đủ, điện áp đầu ra có thể thấp hơn điện áp ắc quy hoặc điện lưới, dẫn đến những rủi ro sau:

Dòng điện ngược: Pin hoặc lưới điện cung cấp điện ngược lại qua cuộn dây động cơ, khiến động cơ quá nóng và nam châm vĩnh cửu bị khử từ;
Biến động điện áp: Điện áp đầu ra không ổn định dẫn đến hoạt động bất thường của các bộ chuyển đổi hoặc bộ biến tần DC/DC tiếp theo;
Giảm hiệu quả: Hiệu suất phát điện giảm mạnh ở tốc độ gió thấp và nếu thiếu biện pháp bảo vệ, hệ thống có thể tiếp tục tiêu thụ năng lượng thay vì tạo ra điện.
2. Cơ chế bảo vệ của điốt
Điốt xây dựng các rào cản cách ly vật lý thông qua độ dẫn điện một chiều:

Dẫn điện thuận: Khi điện áp ra của máy phát cao hơn điện áp ở cực tải thì diode dẫn điện và dòng điện chạy từ máy phát đến tải;
Cắt ngược: Khi điện áp máy phát thấp hơn điện áp đầu cực tải, diode sẽ tự động cắt, chặn đường dẫn dòng ngược.
Lấy một tuabin gió nhỏ độc lập làm ví dụ, mạch chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển{0}}của nó sử dụng 6 điốt (chẳng hạn như MUR60120, điện áp chịu được 1200V, dòng điện 60A). Khi tốc độ gió dưới 3m/s, mảng diode có thể chặn hoàn toàn nguồn điện ngược từ pin đến máy phát điện, với hiệu suất bảo vệ trên 99,9%.

2, Các kịch bản ứng dụng điển hình và triển khai kỹ thuật
1. Hệ thống phát điện gió quy mô nhỏ{1}}độc lập
Trong các kịch bản cung cấp điện từ xa, các tuabin gió nhỏ (công suất 1-10kW) thường áp dụng kiến ​​trúc "tuabin gió+pin+tải". Thiết kế bảo vệ của nó bao gồm hai lớp điốt:

Lớp chỉnh lưu: Mạch chỉnh lưu cầu ba pha-chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều và các thông số điốt cần phải đáp ứng:
Điện áp chịu ngược Lớn hơn hoặc bằng 1,5 lần điện áp cực đại của máy phát (ví dụ:. 100V diode được chọn cho hệ thống 24V);
Dòng điện trung bình Lớn hơn hoặc bằng 1,2 lần dòng điện định mức của máy phát điện (nếu hệ thống 5A sử dụng diode 6A).
Lớp chống dòng ngược: Kết nối các điốt Schottky (chẳng hạn như MBR1045CT, V_F=0.4V) nối tiếp giữa pin và cực đầu ra của bộ chỉnh lưu để giảm tổn thất dẫn điện đồng thời đảm bảo độ tin cậy cắt ngược.
Trường hợp: Trong một dự án cung cấp điện nông thôn ở Châu Phi, tuabin gió được thiết kế như mô tả ở trên vẫn có thể phát ra ổn định ở tốc độ gió 2m/s. Dòng điện ngược của pin giảm từ 0,5A xuống 0A và tuổi thọ hệ thống được kéo dài gấp ba lần.

2. Tua bin gió nối lưới
Trong các tuabin gió nối lưới cấp MW, việc bảo vệ điốt cần được kết hợp với các bộ chuyển đổi điện tử công suất để đạt được:

Bộ chuyển đổi phía máy: sử dụng mô-đun lai diode IGBT+(chẳng hạn như Infineon FF600R12ME4), với thời gian phục hồi ngược của diode Nhỏ hơn hoặc bằng 100ns, để tránh dòng điện ngược tăng vọt khi chuyển đổi tần số-cao;
Bộ chuyển đổi phía lưới: Lắp đặt điốt TVS (chẳng hạn như 1.5KE33CA) giữa bus DC và phía lưới điện để triệt tiêu quá điện áp nhất thời do sét đánh hoặc sự cố lưới điện;
Mạch dỡ tải: Khi tốc độ gió quá thấp và điện áp bus DC quá cao, nhánh dỡ tải của điốt và điện trở song song sẽ tự động đưa vào hoạt động, chuyển hóa năng lượng dư thừa thành nhiệt năng để tiêu thụ.
Dữ liệu: Các phép đo thực tế từ một trang trại gió ngoài khơi nhất định cho thấy sau khi áp dụng sơ đồ bảo vệ này, tỷ lệ hỏng hóc của tuabin gió ở tốc độ gió thấp (4m/s) đã giảm từ 12% xuống 2% và sản lượng điện sản xuất hàng năm đã tăng 8%.

3, Các thông số kỹ thuật chính và nguyên tắc lựa chọn
1. Kết hợp tham số cốt lõi
Sụt áp dương (V_F): ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất hệ thống. Điện áp V-F của điốt silicon{3}}là khoảng 0,6-0,8V, trong khi điốt Schottky có thể giảm điện áp này xuống 0,2-0,4V. Trong tuabin gió 100kW, sử dụng điốt Schottky có thể giảm tổn thất hàng năm khoảng 12000 kWh.
Thời gian khôi phục ngược (Trr): Trong trường hợp chuyển đổi tần số-cao, Trr phải nhỏ hơn hoặc bằng 50ns để tránh tổn thất do chuyển đổi. Trr của điốt phục hồi nhanh (chẳng hạn như FR107) là khoảng 50ns, trong khi điốt silicon cacbua (SiC) có thể giảm xuống trong vòng 10ns.
Khả năng mang dòng điện tăng vọt (I2FSM): Nó cần bù đắp dòng điện cao nhất thời trong quá trình-khởi động hoặc hỏng hóc của tuabin gió. Ví dụ, một tuabin gió 2MW cần chọn một diode có I2FSM Lớn hơn hoặc bằng 300A để đối phó với tác động ngắn mạch của lưới điện.
2. Chiến lược tối ưu hóa lựa chọn
Bù nhiệt độ: Trong môi trường có nhiệt độ-cao (chẳng hạn như khu vực sa mạc), nhiệt độ tiếp giáp của điốt có thể vượt quá 150 độ và nên chọn các mẫu-chịu nhiệt độ cao (chẳng hạn như thiết bị được chứng nhận AEC-Q101);
Thiết kế dự phòng: áp dụng chiến lược dự phòng N+1, hệ thống vẫn có thể duy trì hơn 80% công suất đầu ra khi một diode bị hỏng;
Xu hướng tích hợp: Các mô-đun tích hợp (chẳng hạn như IPM) sử dụng điốt và MOSFET/IGBT được áp dụng để giảm độ tự cảm ký sinh và cải thiện độ tin cậy của hệ thống.